CN103862234A - 一种提升增压器涡轮心部强度性能的方法与结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提升增压器涡轮心部强度性能的方法与结构，根据增压器涡轮的结构参数，确定涡轮轮盘与轮毂的尺寸参数和摩擦焊接工艺参数，轮毂的摩擦焊接部位为圆锥面，轮盘的摩擦焊接部位为圆锥通孔，轮毂采用合金棒材机械加工而成，轮盘是在合金铸造成型的基础上加工而成，然后通过摩擦焊接方式将涡轮的轮毂与轮盘焊接在一起，形成完整的增压器涡轮，最后按照涡轮的结构尺寸参数，对涡轮进行其他部位的机械加工。本发明能够显著提升增压器涡轮的心部强度性能，使涡轮心部强度性能达到与母合金相同的水平，有效解决钛铝合金等材料在直接铸造成型增压器涡轮时存在的心部强度性能差等问题，满足增压器涡轮的使用要求，而且易于实现工程化。

Description

一种提升增压器涡轮心部强度性能的方法与结构
技术领域
本发明属于涡轮增压技术领域，具体涉及一种提升增压器涡轮心部强度性能的方法与结构。
背景技术
涡轮是车用涡轮增压器的核心零部件之一，承担着回收发动机排出的废气能量，并将其转化为增压器压气机叶轮做工所需能量的功能。目前，车用涡轮增压器的涡轮主要采用的是铸造镍基高温合金K418材料，但是，由于K418合金材料的密度为8.9×103kg／m3，由K418合金制造的增压器涡轮的转动惯量也相对较大，导致废气涡轮增压发动机的瞬态响应性较差，发动机在起动和加速时的冒黑烟现象较为严重。
为降低车用增压器涡轮的转动惯量、提高废气涡轮增压发动机的瞬态响应性、减弱发动机在起动／加速时的冒黑烟现象，车用增压器涡轮可以采用比强度较高的铸造钛铝合金材料代替K418合金材料。由于钛铝合金材料的密度仅为3.87×103kg／m3，约为K418合金密度的43％，同时钛铝合金又具有良好的高温性能和抗氧化性能，用钛铝合金制造的增压器涡轮，不仅能够有效降低涡轮的转动惯量，而且还有助于提高涡轮的气动性能，达到提高涡轮增压发动机瞬态响应性、改善发动机性能的目的。
钛铝合金属于金属间化合物，由于受钛铝合金材料自身特点的影响以及现有增压器涡轮铸造工艺的制约，铸造成型的钛铝合金增压器涡轮心部力学性能较差，心部拉伸强度较低，仅为母合金拉伸强度的58％，导致钛铝合金增压器涡轮的超速裕度不足，难以满足钛铝合金涡轮在车用涡轮增压器中的应用要求。
发明内容
本发明提出一种提升增压器涡轮心部强度性能的方法与结构。通过合理设计增压器涡轮轮毂与轮盘结构参数以及摩擦焊接工艺参数，涡轮轮毂采用合金棒材机械加工而成，涡轮轮盘在合金铸造成型的基础上加工而成。采用摩擦焊接的方式将涡轮轮盘与轮毂焊接在一起形成完整的增压器涡轮，可以有效地提升增压器涡轮的心部强度性能。
本发明的技术方案：
一种提升增压器涡轮心部强度性能的方法，包括以下步骤：
a、确定涡轮轮盘与轮毂摩擦焊接部位的尺寸参数：根据增压器涡轮的结构参数，确定涡轮轮盘与轮毂的尺寸参数，轮毂摩擦焊接部位为圆锥面，圆锥面的锥角θ为5-10°；轮盘摩擦焊接部位为圆锥通孔，圆锥通孔的锥角与轮毂摩擦焊接部位圆锥面的锥角相同；轮毂的圆锥面小端直径ФD1比轮盘的圆锥孔小端直径ФD2大2-6mm，轮毂的圆锥面高度L1比轮盘的圆锥孔深度L2大3-10mm；
b、确定涡轮轮盘与轮毂的摩擦焊接工艺参数：根据涡轮材料的特点以及涡轮轮盘与轮毂的尺寸参数，确定涡轮轮盘与轮毂在摩擦焊接过程中的相对旋转速度、轴向进给力以及轴向进给量；
c、涡轮轮毂的机械加工：采用合金棒材，按照步骤a中确定的涡轮轮毂尺寸参数，通过机械冷加工的方式，将合金棒材加工成涡轮的轮毂；
d、涡轮轮盘的加工：按照步骤a中确定的涡轮轮盘尺寸参数，涡轮轮盘在合金铸造成型的基础上加工而成；
e、涡轮轮盘与轮毂的摩擦焊连接：采用摩擦焊接方式，在摩擦焊机上将涡轮的轮盘与轮毂分别固定在摩擦焊机的两个装夹端，按照步骤b中所确定的摩擦焊接工艺参数，通过轮毂A锥面与轮盘B锥面的摩擦焊接，将涡轮的轮毂与轮盘焊接在一起，形成完整的增压器涡轮；
f、按照涡轮叶轮的结构尺寸参数，对完成轮毂与轮盘摩擦焊接连的涡轮进行其他部位的机械加工。
一种提升增压器涡轮心部强度性能的结构，所述增压器涡轮由轮毂1和轮盘2组成，其特征在于：所述涡轮轮毂1的摩擦焊接部位为圆锥面，锥度角θ为5-10°，所述涡轮轮盘2的摩擦焊接部位为圆锥通孔，圆锥通孔的锥角与轮毂摩擦焊接部位圆锥的锥角相同；所述涡轮轮毂1由合金棒材加工而成，所述涡轮轮盘2是在合金铸造成型的基础上加工而成；所述的涡轮轮毂1和轮盘2采用摩擦焊接方式通过圆锥面A和圆锥面B之间的摩擦焊接而形成完整的增压器涡轮。
本发明的有益效果是：
通过合理设计涡轮轮毂与轮盘摩擦焊接部位的尺寸参数以及摩擦焊接工艺参数，采用摩擦焊接的连接方式，将用合金棒材机械加工成型的涡轮轮毂与用合金铸造成型的涡轮轮盘焊接在一起，形成完整的增压器涡轮。该方法与结构能够有效地提升增压器涡轮的心部强度性能，提高增压器涡轮的超速安全裕度，解决钛铝合金等材料在直接铸造成型增压器涡轮时存在的心部强度不足等问题。采用合金棒材机械加工成型的涡轮轮毂，可以使涡轮的心部强度性能达到与母合金相同的水平。采用摩擦焊连接方式，可以使涡轮轮毂与轮盘之间实现可靠的连接。涡轮在完成轮毂与轮盘摩擦焊连接的基础上，再进行其他部位的加工，可以有效地保证涡轮叶轮的整体外形尺寸。该方法与结构简单可靠，易于实现工程化应用。
附图说明
图1是增压器涡轮的轮毂结构示意图。
图2是增压器涡轮的轮盘结构示意图。
1轮毂  2轮盘
图3是轮毂和轮盘采用摩擦焊工艺焊接在一起形成的涡轮结构示意图。
具体实施方式
一种提升增压器涡轮心部强度性能的方法，包括以下步骤：
a、确定涡轮轮盘与轮毂摩擦焊接部位的尺寸参数。根据增压器涡轮的结构参数，确定涡轮轮盘与轮毂的尺寸参数，轮毂摩擦焊接部位为圆锥面，圆锥面的锥角θ为5-10°；轮盘摩擦焊接部位为圆锥通孔，圆锥通孔的锥角与轮毂摩擦焊接部位圆锥面的锥角相同；轮毂的圆锥面小端直径ФD1比轮盘的圆锥孔小端直径ФD2大2-6mm，轮毂的圆锥面高度L1比轮盘的圆锥孔深度L2大3-10mm，如图1和图2所示。例如，对于直径为Ф95mm的涡轮叶轮，轮毂摩擦焊接部位圆锥角θ为9°，小端直径ФD1为Ф16mm，轮毂的圆锥面高度L1为45mm，轮盘摩擦焊接部位圆锥通孔的锥角θ为9°，圆锥孔小端直径ФD2为Ф14mm，轮盘的圆锥孔深度为40mm。
b、确定涡轮轮盘与轮毂的摩擦焊接工艺参数。根据涡轮材料的特点以及涡轮轮盘与轮毂的尺寸参数，确定涡轮轮盘与轮毂在摩擦焊接过程中的相对旋转速度、轴向进给力以及轴向进给量。
c、涡轮轮毂的机械加工。按照步骤a中确定的涡轮轮毂尺寸参数，涡轮轮毂采用合金棒材机械加工而成。
d、涡轮轮盘的加工。按照步骤a中确定的涡轮轮盘尺寸参数，涡轮轮盘是在合金铸造成型的基础上加工而成。
e、涡轮轮盘与轮毂的摩擦焊连接，在摩擦焊机上将涡轮的轮盘与轮毂分别固定在摩擦焊机的两个装夹端，按照步骤b中所确定的摩擦焊接工艺参数，通过轮毂A锥面与轮盘B锥面的摩擦焊接，将涡轮的轮毂与轮盘焊接在一起，形成完整的增压器涡轮，如图3所示。
f、按照涡轮叶轮的结构尺寸参数，对完成轮毂与轮盘摩擦焊接连的涡轮进行其他部位的机械加工。
涡轮轮毂采用合金棒材机械加工而成，涡轮轮盘在合金铸造成型的基础上加工而成。可以节约材料，并能够充分利用材料特性。
对于直径为Ф95mm的钛铝合金增压器涡轮，优选涡轮轮盘与轮毂摩擦焊接部位的尺寸参数为：涡轮轮毂的摩擦焊接部位圆锥角θ为9°，小端直径ФD1为Ф16mm，轮毂的圆锥面高度L1为45mm，轮盘的摩擦焊接部位圆锥通孔的锥角θ为9°，圆锥孔小端直径ФD2为Ф14mm，轮盘的圆锥孔深度为40mm。
一种提升增压器涡轮心部强度性能的结构，其特征在于：所述增压器涡轮在摩擦焊接之前由涡轮的轮毂1和轮盘2组成；所述涡轮轮毂1的摩擦焊接部位为圆锥面，锥度角θ为5-10°，所述涡轮轮盘2的摩擦焊接部位为圆锥通孔，圆锥通孔的锥角与轮毂摩擦焊接部位圆锥的锥角相同；所述涡轮轮毂1的圆锥小端直径ФD1比涡轮轮盘2的圆锥孔小端直径ФD2大2-6mm，轮毂1的圆锥面高度L1比轮盘2的圆锥孔深度L2大3-10mm。所述涡轮轮毂1由合金棒材加工而成，所述涡轮轮盘2是在合金铸造成型的基础上加工而成。所述的涡轮轮毂1和轮盘2采用摩擦焊接工艺，通过圆锥面A和圆锥面B之间的摩擦焊接而形成完整的增压器涡轮。

Claims (5)

1.一种提升增压器涡轮心部强度性能的方法，包括以下步骤：
a、确定涡轮轮盘与轮毂摩擦焊接部位的尺寸参数：根据增压器涡轮的结构参数，确定涡轮轮盘与轮毂的尺寸参数，轮毂摩擦焊接部位为圆锥面，圆锥面的锥角θ为5-10°；轮盘摩擦焊接部位为圆锥通孔，圆锥通孔的锥角与轮毂摩擦焊接部位圆锥面的锥角相同；轮毂的圆锥面小端直径ФD1比轮盘的圆锥孔小端直径ФD2大2-6mm，轮毂的圆锥面高度L1比轮盘的圆锥孔深度L2大3-10mm；
b、确定涡轮轮盘与轮毂的摩擦焊接工艺参数：根据涡轮材料的特点以及涡轮轮盘与轮毂的尺寸参数，确定涡轮轮盘与轮毂在摩擦焊接过程中的相对旋转速度、轴向进给力以及轴向进给量；
c、涡轮轮毂的机械加工：采用合金棒材，按照步骤a中确定的涡轮轮毂尺寸参数，通过机械冷加工的方式，将合金棒材加工成涡轮的轮毂；
d、涡轮轮盘的加工：按照步骤a中确定的涡轮轮盘尺寸参数，涡轮轮盘在合金铸造成型的基础上加工而成；
e、涡轮轮盘与轮毂的摩擦焊连接：采用摩擦焊接方式，在摩擦焊机上将涡轮的轮盘与轮毂分别固定在摩擦焊机的两个装夹端，按照步骤b中所确定的摩擦焊接工艺参数，通过轮毂A锥面与轮盘B锥面的摩擦焊接，将涡轮的轮毂与轮盘焊接在一起，形成完整的增压器涡轮；
f、按照涡轮叶轮的结构尺寸参数，对完成轮毂与轮盘摩擦焊接的涡轮进行其他部位的机械加工。
2.根据权利要求1所述的提升增压器涡轮心部强度性能的方法，其特征在于：在步骤c中，涡轮轮毂采用合金棒材机械加工而成。
3.根据权利要求1所述的提升增压器涡轮心部强度性能的方法，其特征在于：在步骤d中，涡轮轮盘是在合金铸造成型的基础上加工而成。
4.一种提升增压器涡轮心部强度性能的结构，所述增压器涡轮由轮毂(1)和轮盘(2)组成，其特征在于：所述涡轮轮毂(1)的摩擦焊接部位为圆锥面，锥度角θ为5-10°，所述涡轮轮盘(2)的摩擦焊接部位为圆锥通孔，圆锥通孔的锥角与轮毂摩擦焊接部位圆锥的锥角相同；所述涡轮轮毂(1)由合金棒材加工而成，所述涡轮轮盘(2)是在合金铸造成型的基础上加工而成；所述的涡轮轮毂(1)和轮盘(2)采用摩擦焊接方式通过圆锥面A和圆锥面B之间的摩擦焊接而形成完整的增压器涡轮。
5.根据权利要求4所述的提升增压器涡轮心部强度性能的结构，其特征在于：所述涡轮轮毂(1)的圆锥小端直径ФD1比涡轮轮盘(2)的圆锥孔小端直径ФD2大2-6mm，轮毂(1)的圆锥面高度L1比轮盘(2)的圆锥孔深度L2大3-10mm。
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